原创 CVAVR USART程序分析

作者: machao老师

#include <mega8.h> 

#define RXB8 1 
#define TXB8 0 
#define UPE 2 
#define OVR 3 
#define FE 4 
#define UDRE 5 
#define RXC 7 

#define FRAMING_ERROR (1<<FE) 
#define PARITY_ERROR (1<<UPE) 
#define DATA_OVERRUN (1<<OVR) 
#define DATA_REGISTER_EMPTY (1<<UDRE) 
#define RX_COMPLETE (1<<RXC) 

// USART Receiver buffer 
#define RX_BUFFER_SIZE 8          // 接收缓冲区大小，可根据需要修改
char rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE];   // 接收缓冲区，为char型变量组成的数组，该数组构成环形对列，个数为RX_BUFFER_SIZE 

// 定义接收缓冲区环形对列的控制指针：rx_wr_index为写指针，rx_rd_index为读指针，rx_counter为在队列中接收到的字符个数
#if RX_BUFFER_SIZE<256            // 若接收缓冲区小于256个字节，定义为环形队列的指针为char型变量 
    unsigned char rx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter; 
#else                             // 否则为int型变量
    unsigned int rx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter; 
#endif 

// This flag is set on USART Receiver buffer overflow 
bit rx_buffer_overflow;                                //接收缓冲区溢出标志 

// USART Receiver interrupt service routine            //usart接受中断服务程序 
interrupt [USART_RXC] void usart_rx_isr(void) 
{                                                                     
    char status,data;                                      
    status=UCSRA;  //读取接收状态标志位，必须先读，当读了UDR后，UCSRA便自动清零了         
    data=UDR;      //读取USART数据寄存器，这句与上句位置不能颠倒的 
    if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0)      //判断本接收到的数据是否有数据帧、校验或数据溢出错误（此处指USART的硬件接收溢出） 
   { 
       rx_buffer[rx_wr_index]=data;  //   将数据填充到接收缓冲队列中                                 
       if (++rx_wr_index == RX_BUFFER_SIZE) //写指针指向下一个单元，并判断是否到了队列的尾部，（不表示接受缓冲区是否满！） 
            rx_wr_index=0;                  //到了尾部，则指向头部（构成环状） 
       if (++rx_counter == RX_BUFFER_SIZE)  //队列中收到字符加1，并判断是否队列已满 
       { 
            rx_counter=0;                   // 队列满了，队列中收到字符个数为0，表示队列中所有以前的数据作废，因为最后的数据已经把最前边的数据覆盖了                                
            rx_buffer_overflow=1;           //置缓冲区溢出标志。在主程序中必要的地方需要判断该标志，以证明读到数据的完整性 
        }; 
   }; 
} 

#ifndef _DEBUG_TERMINAL_IO_     // 如果在主程序中没有定义 _DEBUG_TERMINAL_IO_ 则下面程序有效（注1） 
  // Get a character from the USART Receiver buffer 
  #define _ALTERNATE_GETCHAR_     // 定义标示字 _ALTERNATE_GETCHAR_ ，该标示字在本程序中不起作用，主要应用于编写其他模块时告之系统的getchar()函数已经被本程序的Ggetchar()替换 
  #pragma used+                   // CVAVR的伪指令，通知编译系统，编译到与系统提供的同名函数时，使用以下的代码 
  char getchar(void) 
  { 
    char data; 
    while (rx_counter==0);      //接收数据队列中没有数据可以读取，等待......（注2） 
    data=rx_buffer[rx_rd_index];   //读取缓冲队列中的数据 
    if (++rx_rd_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_rd_index=0;  //读取指针指向下一个未读的数据，如果指到了队列尾部，则指回到队列头步 
    #asm("cli")      // 关中断！非常重要                                              
    --rx_counter;    //队列中未读数据个数减1。因为该变量在接收中断中要改变的，为了防止冲突，所以改动前临时关闭中断。程序相当可靠了。 
    #asm("sei")      // 开中断
    return data; 
  } 
  #pragma used-         // CVAVR的伪指令，取消used+的作用 
#endif 

// Standard Input/Output functions 
#include <stdio.h> 

// Declare your global variables here 

void main(void) 
{ 
// Declare your local variables here 

// Input/Output Ports initialization 
// Port B initialization 
// Func7=In Func6=In Func5=Out Func4=Out Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In  
// State7=T State6=T State5=1 State4=1 State3=T State2=T State1=T State0=T  
PORTB=0x30; 
DDRB=0x30; 

// Port C initialization 
// Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In  
// State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T  
PORTC=0x00; 
DDRC=0x00; 

// Port D initialization 
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In  
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T  
PORTD=0x00; 
DDRD=0x00; 

// Timer/Counter 0 initialization 
// Clock source: System Clock 
// Clock value: Timer 0 Stopped 
TCCR0=0x00; 
TCNT0=0x00; 

// Timer/Counter 1 initialization 
// Clock source: System Clock 
// Clock value: Timer 1 Stopped 
// Mode: Normal top=FFFFh 
// OC1A output: Discon. 
// OC1B output: Discon. 
// Noise Canceler: Off 
// Input Capture on Falling Edge 
TCCR1A=0x00; 
TCCR1B=0x00; 
TCNT1H=0x00; 
TCNT1L=0x00; 
ICR1H=0x00; 
ICR1L=0x00; 
OCR1AH=0x00; 
OCR1AL=0x00; 
OCR1BH=0x00; 
OCR1BL=0x00; 

// Timer/Counter 2 initialization 
// Clock source: System Clock 
// Clock value: Timer 2 Stopped 
// Mode: Normal top=FFh 
// OC2 output: Disconnected 
ASSR=0x00; 
TCCR2=0x00; 
TCNT2=0x00; 
OCR2=0x00; 

// External Interrupt(s) initialization 
// INT0: Off 
// INT1: Off 
MCUCR=0x00; 

// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization 
TIMSK=0x00; 

// USART initialization 
// Communication Parameters: 8 Data, 1 Stop, No Parity 
// USART Receiver: On 
// USART Transmitter: On 
// USART Mode: Asynchronous 
// USART Baud rate: 9600 
UCSRA=0x00; 
UCSRB=0x98; 
UCSRC=0x86; 
UBRRH=0x00; 
UBRRL=0x33; 

// Analog Comparator initialization 
// Analog Comparator: Off 
// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off 
ACSR=0x80; 
SFIOR=0x00; 

// Global enable interrupts 
#asm("sei") 

while (1) 
      { 
      // Place your code here 

      }; 
} 
====================================================================
在CVAVR系统提供的标准库函数stdio.h中，提供了getchar()函数，该函数是采用轮询方式从USART接收数据的，轮询方式不仅效率低，而且会丢失数据，不能实现多任务的并行处理。

CVAVR程序向导中给出的采用中断+缓冲的方式接受数据，同PC的串口接受数据的方法一样，充分利用了AVR的高速和RAM多的优点，体现出了如何才能充分发挥AVR的特点的程序设计思想，这种思路在32位系统中也是这样的。

使用AVR的话，对软件的设计能力要求更高了，否则根本不能发挥和体现AVR的特点。许多人有了一点C的基础，就认为采用C编写单片机程序没问题，很快就会掌握AVR了，对此我只能一笑了之。看看本站上众多的代码，再看看本贴的遭遇，能说什么呢？

回到本题：
注1：
如果在程序的开头部分加上语句
#define _DEBUG_TERMINAL_IO_
那么程序在编译时仍使用系统自己的getchar()函数，这样在软件模拟仿真时，可以从模拟的终端读取数据，便于在软件模拟环境中调试整个系统，而需要正式运行时，则把该句注释掉。
注2：
此处在正式应用中应根据实际情况做适当的修改。否则当主程序调用getchar()时，如果缓冲队列中没有数据，同时对方也没有发数据的情况时，程序会在此死循环。
比较简单的办法是将这句删掉，而在调用getchar()函数前先判断rx_counter的值，为0的话就不调用了。
或改为：
  signed int getchar(void) 
  { 
    signed int data; 
    if (rx_counter == 0)
    {
        data = -1;    
    }
    else
    {
        data=rx_buffer[rx_rd_index];   //读取缓冲队列中的数据 
        if (++rx_rd_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_rd_index=0;  //读取指针指向下一个未读的数据，如果指到了队列尾部，则指回到队列头步 
        #asm("cli")      // 关中断！非常重要                                              
        --rx_counter;    //队列中未读数据个数减1。因为该变量在接收中断中要改变的，为了防止冲突，所以改动前临时关闭中断。程序相当可靠了。 
        #asm("sei")      // 开中断
    }
    return data; 
}

注3：
有兴趣希望深入实在学习的网友，可将CVAVR生成的USART发送代码仔细分析以下。它的发送代码非常完美，可以马上使用。
#include <mega16.h>

#define RXB8 1
#define TXB8 0
#define UPE 2
#define OVR 3
#define FE 4
#define UDRE 5
#define RXC 7

#define FRAMING_ERROR (1<<FE)
#define PARITY_ERROR (1<<UPE)
#define DATA_OVERRUN (1<<OVR)
#define DATA_REGISTER_EMPTY (1<<UDRE)
#define RX_COMPLETE (1<<RXC)

// USART Transmitter buffer
#define TX_BUFFER_SIZE 8
char tx_buffer[TX_BUFFER_SIZE];

#if TX_BUFFER_SIZE<256
unsigned char tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter;
#else
unsigned int tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter;
#endif

// USART Transmitter interrupt service routine
interrupt [USART_TXC] void usart_tx_isr(void)
{
if (tx_counter)
   {
   --tx_counter;
   UDR=tx_buffer[tx_rd_index];
   if (++tx_rd_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_rd_index=0;
   };
}

#ifndef _DEBUG_TERMINAL_IO_
// Write a character to the USART Transmitter buffer
#define _ALTERNATE_PUTCHAR_
#pragma used+
void putchar(char c)
{
while (tx_counter == TX_BUFFER_SIZE);
#asm("cli")
if (tx_counter || ((UCSRA & DATA_REGISTER_EMPTY)==0))
   {
   tx_buffer[tx_wr_index]=c;
   if (++tx_wr_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_wr_index=0;
   ++tx_counter;
   }
else
   UDR=c;
#asm("sei")
}
#pragma used-
#endif

// Standard Input/Output functions
#include <stdio.h>

// Declare your global variables here

void main(void)
{
// Declare your local variables here

// Input/Output Ports initialization
// Port A initialization
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In 
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T 
PORTA=0x00;
DDRA=0x00;

// Port B initialization
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In 
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T 
PORTB=0x00;
DDRB=0x00;

// Port C initialization
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In 
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T 
PORTC=0x00;
DDRC=0x00;

// Port D initialization
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In 
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T 
PORTD=0x00;
DDRD=0x00;

// Timer/Counter 0 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: Timer 0 Stopped
// Mode: Normal top=FFh
// OC0 output: Disconnected
TCCR0=0x00;
TCNT0=0x00;
OCR0=0x00;

// Timer/Counter 1 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: Timer 1 Stopped
// Mode: Normal top=FFFFh
// OC1A output: Discon.
// OC1B output: Discon.
// Noise Canceler: Off
// Input Capture on Falling Edge
// Timer 1 Overflow Interrupt: Off
// Input Capture Interrupt: Off
// Compare A Match Interrupt: Off
// Compare B Match Interrupt: Off
TCCR1A=0x00;
TCCR1B=0x00;
TCNT1H=0x00;
TCNT1L=0x00;
ICR1H=0x00;
ICR1L=0x00;
OCR1AH=0x00;
OCR1AL=0x00;
OCR1BH=0x00;
OCR1BL=0x00;

// Timer/Counter 2 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: Timer 2 Stopped
// Mode: Normal top=FFh
// OC2 output: Disconnected
ASSR=0x00;
TCCR2=0x00;
TCNT2=0x00;
OCR2=0x00;

// External Interrupt(s) initialization
// INT0: Off
// INT1: Off
// INT2: Off
MCUCR=0x00;
MCUCSR=0x00;

// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization
TIMSK=0x00;

// USART initialization
// Communication Parameters: 8 Data, 1 Stop, No Parity
// USART Receiver: Off
// USART Transmitter: On
// USART Mode: Asynchronous
// USART Baud rate: 9600
UCSRA=0x00;
UCSRB=0x48;
UCSRC=0x86;
UBRRH=0x00;
UBRRL=0x19;

// Analog Comparator initialization
// Analog Comparator: Off
// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off
ACSR=0x80;
SFIOR=0x00;

// Global enable interrupts
#asm("sei")

while (1)
      {
      // Place your code here
      putchar(0x55);
      };
}

思考分析：
我在主程序的循环里仅有一句不停的发0X55，问题是AVR的运行速度非常快，而USART串出的速度肯定明显的慢（按9600bps计算，需要1秒多时间才能送出1000个字符），那么，假定主程序循环了1000次，发送1000个0x55，请判断在UASRT口上能否正确的发出1000个0x55，有没有丢失或溢出现象存在？